Отже, є такі речі, які називаються кварками. (Я знаю, я хотів би, щоб вони мали кращу назву, але я не відповідальний за те, щоб називати речі з фізики.) Кварки - це маленькі маленькі крихітні частинки (ми трохи досягнемо того, наскільки маленькі), які є основоположними складовими матерії. Наскільки ми можемо сказати, самі кварки не зроблені з нічого меншого. Це може змінитися в майбутньому, коли ми дізнаємось більше, але це досить добре зараз.
Існує шість видів кварків, кожен з різними, але однаково вигадливими назвами: вгору, вниз, зверху, внизу, дивно і чарівність. І незважаючи на свою назву, найдивніший з секстулетів - це насправді топ-кварк.
Давайте копаємо глибоко.
Перевернутий світ
На сьогоднішній день, найпоширеніші кварки, з якими ви зіткнетеся, - це догори вгору та вниз. Вони з’єднуються в трійки, утворюючи протони (два підйоми і вниз) і нейтрони (два падіння і вгору). Щоб утворити знайомий позитивний заряд протона і нейтральний заряд на нейтроні, кварки потребують дробових зарядів. Я знаю, це звучить дивно, але це лише тому, що ми думка що заряд протонів та електронів був основним. Виявляється, ми помилилися. Угору кварк заряджається плюс дві третини, а нижній кварк - мінус одна третина.
Що ще більше бентежить у кварках, це те, що вони дивно легкі. Угору кварк становить всього 0,2 відсотка маси протона, тоді як його партнер - нижній кварк лише приблизно 0,5 відсотка протонної маси. То як ці мізерні частинки можуть скласти до маси здоровенного протона?
Відповідь - сила, яка зв’язує кварки разом: сильна ядерна сила. Це зв'язування серед кварків надзвичайно сильне - зручно перемагаючи природне електричне відштовхування аналогічно заряджених кварків. А оскільки енергія - це те саме, що і маса (спасибі, Ейнштейн!), Маса протона насправді обумовлена клеєм, а не самими кварками.
Живуть на вершині
Не всі кварки такі великі. Але у світі фізики частинок велике - це погані новини. Бути масивним - це як бути на самій вершині високої, худий гори. Звичайно, погляди чудові, але будь-який натяк на вітер призведе до того, що ви перекинетесь у стабільнішу позицію. А стабільність означає мале - якщо ви масивна частинка, яка страждає на нестабільність, ви швидко опинитесь, що перетворюєтесь на душ своїх менших двоюрідних братів.
Це означає, що життя є просто персиковим для нагорі та вниз кварталів. Вони найменші; тож, хоча вони не мають чудового виду, їм не загрожує падіння екзистенційної скелі. Наступні найбільші кварки, дивні і чарівні, рідко зустрічаються в якомусь великому достатку в природі. Вони настільки масивні, що їх важко зробити в першу чергу, і як тільки їх виготовляє якийсь екзотичний процес, вони швидко розпадаються на щось інше, не залишаючи після себе нічого, крім пам’яті.
Довгий час фізики думали, що існують лише ці чотири кварки - вгору, вниз, дивно і чарівно. Але на початку 1970-х вони почали підозрювати інакше, вивчивши деякі рідкісні розпади, пов’язані з каонами (і знову ж таки, я не відповідальний за називання речей. Каон - це дует дивного кварку і або вгору, або вниз) . Щоб пояснити дивний розпад, який породив ці канони, теоретикам довелося здогадуватися про існування нової пари кварків, яку вони охрестили вгорі і внизу. Ці нові кварки були набагато, набагато важчі, ніж інші чотири (інакше ми б їх уже бачили).
Після того, як кварк № 5 (внизу) приєднався до клубу відомих і виміряних частинок у 1977 році, гонка була шукати шостий та остаточний (верх). Але проблема полягала в тому, що ніхто не здогадувався про те, наскільки він великий, це означає, що ми не знали, наскільки нам потрібно зробити наші прискорювачі частинок, перш ніж ми можемо вискочити. Щороку групи по всьому світу вдосконалювали свої снаряди, і щороку вони підходили коротко, відсуваючи масу тодішньої гіпотетичної частинки все вище.
Лише в лютому 1995 р. Дослідники з Фермілаба могли нарешті поставити претензію на відкриття верхнього кварка з масою нахилу ваг, майже в 200 разів важчих за протон. Це правильно: Хоча кварки вгору і вниз ледве виконують будь-яку роботу з виготовлення протона протоном, верхній кварк може легко зруйнувати цілі атоми з легкістю.
Введіть Хіггса
Верхній кварк приблизно в 100 трильйонів разів важчий, ніж верхній кварк. Це мило. Але чому? Чому кварки мають такий величезний діапазон у маси?
Тут бозон Хіггса входить. Бозон Хіггса асоціюється з полем (поле Хіггса, подібне до електромагнітного поля), яке пронизує весь простір-час, як невидимий клей, що заповнює Всесвіт. Інші фундаментальні частинки, як електрони, нейтрино і кварки, повинні пропливати через це поле, щоб перейти з місця на місце. Сам факт, що фундаментальні частинки не можуть ігнорувати поле Хіггса, є (через різні та різноманітні математики) причиною їхньої маси.
Ага, підказка, значить. Якщо Хіггс якимось чином пов’язаний із самою концепцією маси, а верхній кварк далеко і найважчий з кварків, то бозон Хіггса та верхній кварк повинні бути найкращий друзів.
І тому з роками верхній кварк став одним із шлюзів для нашого розуміння Хіггса, і можна сподіватися, що при подальшому вивченні самого Хіггса ми зможемо отримати певні перспективи щодо загадково великої маси верхнього кварка.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
